El extraño efecto de la luz modificando la rigidez de semiconductores

Un estudio de 2018 reveló que un semiconductor hecho de sulfuro de zinc se volvía más frágil cuando se exponía a la luz. Cuando los investigadores lo iluminaban, se comportaba de un modo parecido a una galleta crujiente: al aplicarle fuerza, se rompía. Cuando apagaban la luz, se comportaba más bien como un caramelo blando: se deformaba pero sin romperse en pedazos.

 

¿Por qué? Tiempo después, un equipo que incluye a Rafael Jaramillo, Jiahao Dong y Ju Li, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos, se propuso averiguarlo.

 

Jaramillo y sus colegas reprodujeron el experimento de 2018, obteniendo los mismos resultados, y examinaron minuciosamente el fenómeno.

 

Han constatado en semiconductores que se vuelven más rígidos cuando se les expone a la luz y que el efecto se revierte cuando dejan de estar expuestos a ella.

 

Y han logrado averiguar qué sucede a escala atómica para que ese fenómeno se produzca y cómo se puede regular el efecto fabricando los materiales de ciertas maneras (introduciendo en ellos defectos específicos) así como empleando distintos colores e intensidades de luz.

 

El equipo realizó una serie de experimentos con sulfuro de zinc y otros dos semiconductores en los que midió la rigidez de los materiales bajo diferentes condiciones, incluyendo distintos niveles de luz. Para ello empleó una técnica sensible en la cual una punta de diamante que es desplazada por la superficie del material registra cuánta fuerza se necesita para empujar la aguja a través de los 100 nanómetros superiores, o milmillonésimas de metro, de la muestra de material.

 

Jiahao Dong con la máquina equipada con una aguja de diamante, usada en los experimentos recientes sobre el cambio de rigidez de semiconductores al proyectar luz sobre ellos o apagarla. (Foto: Elizabeth Thomson / Materials Research Laboratory)

 

También realizaron simulaciones por ordenador de lo que podía estar ocurriendo a escala atómica, desarrollando poco a poco una teoría de lo que estaba ocurriendo. Descubrieron que los defectos, o los átomos ausentes, en los materiales desempeñaban un papel importante en la respuesta mecánica de los materiales a la luz.

 

Estos huecos o vacantes hacen que la red cristalina del material se ablande porque algunos de los átomos están más separados. Jaramillo compara esto con la situación de los pasajeros en un vagón de metro. Es más fácil meter a más gente si hay espacios más grandes entre los pasajeros que ya están dentro.

 

Bajo la iluminación, los átomos se excitan y tienden a repelerse más antre ellos. Es como si esas personas en el vagón de metro empezaran de repente a bailar y a extender los brazos. El resultado: los átomos se resisten con más fuerza a ser empaquetados más estrechamente y el material se vuelve más rígido mecánicamente. En el símil del vagón de metro, la actitud de los pasajeros impude o dificulta que suba más gente.

 

Esta investigación ha contado con el respaldo de la Oficina de Investigación Naval, una entidad que depende de la Armada estadounidense.

 

Jaramillo y sus colegas exponen los detalles técnicos de sus últimos descubrimientos en la revista académica Physical Review Letters, bajo el título "Giant and Controllable Photoplasticity and Photoelasticity in Compound Semiconductors". (Fuente: NCYT de Amazings)